液压支架双伸缩抗冲击立柱动态分析.pdf

第 l 5卷 第 2期 总第 9 3期 2 0 1 0年 4月 煤 矿 开 采 Co a l mi ni ng Te c hn o l o g y V o 1 ． 1 5 N o ． 2 S e ri e s N o ． 9 3 Ap r i l 2 01 0 液压支架双伸缩抗 冲击立柱动 态分析 王 国法 ，赵 志礼 天地科技股份有限公 司 开采设计事业部 ，北京 1 0 0 0 1 3 [ 摘要] 分析液压支架立柱外载特征，提出了抗冲击双伸缩立柱结构和原理，建立了双级伸 缩立柱冲击力学模 型，分析 了影 响立柱抗冲击性能 的因素；进行双伸 缩立柱底 阀动态分析和设计 ，解 析双伸缩立柱 “ 爬行”现象，给出了避免 “ 爬行”应采取的措施。 [ 关键词] 双伸缩立柱；冲击载荷；动态分析 ；底阀；爬行 [ 中图分类号]T D 3 5 5 ． 4 1 [ 文献标识码]A [ 文章编号]1 0 0 6 - 6 2 2 5 2 0 1 0 0 2 - 0 0 6 2 - 0 4 Dy na mi c Ana l y s i s o f Do u b l e t e l e s c o pi c Pr o p a g a i ns t S h o c k i ng i n Po we r e d S u pp o r t W ANG Gu o f a，ZHAO Z h i l i C o a l Mi n i n g＆ D e s i g n i n g De p a r t m e n t ， T ia n d i S c i e n c e＆T e c h n o l o g y C o ． ， L t d， B e i j i n g 1 0 0 0 1 3， C h i n a Ab s t r a c t T h i 。p a p e r a n a l y z e d p r o p’ S e x t e r n a l l o a d c h a r a c t e r i s t i c o f p o we r e d s u p p o a n d p r e s e n t e d t h e s t r u c t u r e a n d p rin c i p l e o f d o u b l e - t e l e s c o p i c p r o p a g a i n s t s h o c k i n g ．A s h o c k i n g me c h a n i c s mo d e l o f d o u b l e t e l e s c o p i c p r o p wa s s e t u p t o a n a l y z e i n f l u e n c e f a c t o r s o f p r o p’ S a n t i s h o c k i n g p r o p e y ．I t a l s o ma d e d y n a mi c a n a l y s i s a n d d e s i g n f o r b o t t o m v a l v e o f d o u b l e t e l e s c o p i c p r o p，a n d a n a l y z e d “ c r a w[ ” ph e n o me n o n o f d o ub l e t e l e s c o p i c p r o p．Mea s u r e s for a v o i d i ng“c r a wl ” we r e p r e s e nt e d． Ke y wo r d s d o u b l e t e l e s c o p i c p r o p；s h o c k i n g l o a d；d y n a mi c a n a l y s i s ；b o t t o m v a l v e ；c r a w l 1 液压支架立柱外载特征分析 立柱是液压支架实现顶板支护的主要 动力 元 件 ，其柱头和缸底分别铰接在顶梁和底座上 ，呈二 力杆状态。液压支架外载主要来源于顶板压力 ，在 液压支架与顶板 、围岩的相互作用 中，直接作用于 顶梁和掩护梁 的顶板压力通过顶梁传递到立柱。工 作面顶板压力显现一般呈现周期性规律 ，液压支架 工作循环一般为降柱一拉架一升架，在此工作循环 中立柱的外载特征表现为初撑增阻一缓慢增阻一急 增阻一恒阻 小 幅震荡 一降拄 降阻，其 一般外 载特征如图 1 所示。 P ． 恒限 { t 降 卜 一 ／ 降阻J 大采高放顶煤工作面等条件下 ，液压支架受到的顶 板压力常常表现为冲击载荷，传递到立柱的外载表 现为瞬间急增阻，一般立柱安全阀的动态响应速度 跟不上冲击载荷造成的立柱增阻速度，安全阀来不 及卸载，因此，会出现立柱 荷瞬间大大超出安全 阀调定工作压力的现象，立柱冲击外载的特征曲线 如 图 2所 示 。 P 图2 立柱冲击外载特征曲线 2 抗冲击双伸缩立柱结构和原理 图 一般立柱外载特征曲线 为适应大采高放顶煤液压支架和其他有冲击倾 在有冲击矿压煤层 、浅埋深煤层 、坚硬顶板和 向条件下液压支架的支护要求 ，设计研发了新型抗 [ 收稿日 期]2 0 0 9 0 9 1 6 [ 作者简介]王国法 1 9 6 0一 ，男，山东文登人， 研究员，博士生导师，煤炭科学研究总院首席专家， 天地科技股份有限公司开采装备研 究所所长 。 6 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 王 国法 等液压 支架双伸缩抗冲 击立柱动态分析 2 0 1 0年第 2期 冲击双伸缩立柱，其结构如 图 3所示 。 图 3 新型抗冲 击双 伸缩立柱结构 抗冲击双伸缩立柱的抗冲击性能一般是通过延 长冲击过程的时问和迅速卸载实现。具体地说 ，对 于常规的双伸缩立拄是在外缸筒底部安装大流量的 旁路安全 阀，并减小液体压力传递距离以便在立柱 受到冲击时迅速泄液 ，避免立柱过载 。 新型抗冲击立柱 ，除了安装大流量安全阀和具 有短液体压力传递距 离外 ，活柱被设 计为 中空结 构 ，把中缸和活柱中空腔连通。在立柱受到冲击载 荷时 ，中缸和活柱空腔中的液体以及大缸 中的液体 均为缓冲液体 ，有效减小 了立柱整体的液压弹性系 数 ，增长了冲击作用时间，因而可以显著增强立柱 的抗冲击性能。另外 ，特殊工况下可在活柱头部安 装高开启压力值的安全阀 ，能使立柱 的抗 冲击性能 进一步提高 3立柱冲击载荷计算 用重锤冲击试验模拟立柱冲击动态特性 ，在参 考义献 中，对 立柱 冲击试 验用 冲击重物 的质量 作 lr 规定 ，但对下落高度没有作具体规定 ，仅要求 在 3 0 ms内立柱缸 内液体压力 达到 1 ． 5倍安全 阀开 启压力 ，所 以在试 验前需要 进行质 量和高度 的搭 配。 柱直径较大时 ，冲击物的质量和高度的选 取对试验结果有较大影响。 3 ． 1 多级伸缩立柱冲击载荷计算模型 将受冲击 双伸缩立 柱垂直放 置 ，具 有质量 的物体在距 冲击点距离 为 H的高度 自由落下冲击 立柱柱头 ，在冲击的某时刻 ，下落重物在冲击点产 生冲击力 F ．． 和冲击位移 △ ，由冲击力 F 引起各 缸筒内的液体压力分别为 P ，尸 ，双 伸缩立柱 冲 击试验力学模 型如图 4所示 。 3 ． 2 冲击载荷计算方法 冲击过程是一个时间很短的震动过程 ，计算 只 图4双 伸缩立柱冲击试验 力学模 型 考虑冲击过程 的冲击半周 ，若得到冲击点的冲击力 和冲击位移 ，可用冲击力和冲击位移来表示受冲击 立柱吸收的能量 。一般情况 ，冲击点 的冲击力 F 与冲击点的位移为非线性关系，在冲击半周无安全 阀时的关系曲线如图 5所示 ，有安全阀时的关系曲 线如图 6所示 ，图中冲击力曲线与横轴面积即为立 柱在冲击半周 中吸收的能量。在 柱直径较小而落 下的冲击物质量较大时 ，可不计立柱在冲击过程中 运动部分 的质量 ，但 当立杜直径较大时 ，应考虑立 柱的质量 。 图5 无安全 阀时冲 击力与变形的关 系曲线 图6 装有安全 阀时冲 击力与燹形关 系曲线 若得到不 同时段冲击点 的冲击力 F 和冲击位 移 △ Ⅳ以及 冲击时间 ，则可以解决 冲击问题 。由于 冲击过程较复杂 ，计算时可 以忽略冲击发声 、发热 以及 冲击点处的复杂作用过程 ，假定落下 冲击物体 的能量在冲击半周全部被立柱吸收 ，且在冲击半周 中冲击物体 与最末一段 活柱的顶端 冲击点 一 起运动 ，则冲击半周结束时，在立柱 中储存的能量 与落下冲击物体 的能量相等 。 用解析方法计算 F 非常困难 ，用数值 计算 比 较方便 ，同时能满足一定的实用要求 。在计算 时忽 略立柱受力时由于弯曲所吸收的能量 ，但考虑立柱 6 3 毒 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 9 3期 煤矿 开 采 2 0 1 0年 第 2期 参与运动部分的质量、介质液体的质量和密封导 向 摩擦。具体计算方法参考文献 。 3 ． 3 缸 中因液体高度不同造成的压差计算 立柱在冲击过程中，液体由于受压体积变化使 得上下两个受压面压力不同，要精确计算较难 ，同 时也没有必要 ，可仅考虑加速度引起的压差。 设某 i 缸 中的介质液柱高度为 ，液体密度 y ，液柱在受冲击过程中，由于液柱受压体积减小 和缸受液体压力直径增大引起液柱上、下面有相对 运动 ，假设液柱沿高度方 向产生的加速度值线性分 布，值为O t 和 ⋯ ，对应的压力为 P 和 P ⋯ ，则 压差用下式估算 n n． A P P f lP Hi y 一g 厶 式中，△ 为第 i 段液柱上 、下液面的压力差 ；Hi 为第 i 段液柱的高度；0 为第 i 段液柱下液面的加 速度值 ；a ⋯ 为第 i 段液柱上液面的加速度值。 3 ． 4 影响立柱抗冲击性能的因素 采用上述计算方法对外缸内径 1 0～ 5 0 0 ra m 的双伸缩立柱、单伸缩立柱和机械接长杆立柱进行 多次冲击计算 。计算表明 1 同一规格 的立柱 ，双 伸缩立柱的冲击时 间较长 ，冲击产生的压力较小 ，单伸缩立柱次之 ， 机械接长杆立柱最大。 2 在立柱 静强度满足 的情况下 ，适 当减小 活柱 的刚度或接长杆的刚度有利于提高立柱的抗冲 击性能。 3 同一规格的立柱，介质液体的高度越大 ， 抗冲击性能越高。 4 冲击过程中，在冲击功相等的情况下， 冲击质量越小，冲击时间越短，初撑力越小，产生 的冲击力越小。 5 立柱 的初撑力越大 ，则冲击载荷越大。 6 尽量使用较大流量 的安全 阀，并使液流 阻力减小。 在设计立柱时 ，在满足静强度设计的同时 ，应 充分考虑立柱抗冲击能力，提高立柱冲击可靠性。 4 双伸缩立柱底阀动态分析和参数设计 双伸缩立柱的底 阀是一个十分重要的部件 ，其 控制着立柱的伸缩顺序并保证立柱在整个行程范围 内有相同的工作阻力 。其可靠性程度直接影响着立 柱的承载能力和立柱的可靠性。特别是在立柱受到 冲击时，底阀的可靠性更加重要。图7 是新开发设 计的一种新型底阀。此种底阀具有如下特点 6 4 图7 新 型底 阀结构 1 设有过滤器对介 质进 行过滤 ，以避免 因 介质 中携带杂质引起拉缸、损坏密封圈及影响底 阀 功能的可靠性， 从而提高立柱的使用寿命。 2 该底阀进 、出液通道避免 了急速改变液 流方向的结构 ，减小 了局部阻力 ，液体 流通顺畅； 在阀芯恢复弹簧处形成带阻尼的封闭腔 ，使阀芯受 底阀两侧 的压力波 动影 响较小 ，减少 了阀芯的震 动；进 、回液不会冲击复位弹簧 ，不会产生震动。 3 进液通径较大 ，进液阻力减小。 4 ． 1 底 阀开启压力 开启压力是底阀的一个重要指标 ，由于受立柱 结构及中缸刚度影响 ，在把中缸视为刚性时需要底 阀的开启压力较小 一般小于 1 ． 3 MP a l 4 ，但早 期设计 的小直径立柱 由于中缸刚性较差 ，需要较高 的底阀开启压力才能保证升柱顺序。近年来 ，随着 大缸径 、高可靠性立柱的研制 ，大幅度提高了中缸 的刚度 ，并使用了聚氨酯密封圈 ，底阀开启压力也 随着降低 。也正是这个原因 ，在即将颁布的国家标 准 煤矿用液压支架第 2部分 立柱 和千斤顶技 术条件中对底阀开启压力未作明确规定。 4 ． 2 底阀参数设计 影响底 阀参数的因素很多 ，随阀的使用特点不 同而有所侧重，在此不作赘述 ，仅就一些重要的参 数设计进行探讨 。 4 ． 2 ． 1 阀芯锥角的确定 阀芯锥角的大小对阀芯开启移动距离 、密封面 接触长度 、底阀开启特性都有影响 ，目前使用的锥 角多为 9 O 。 。 4 ． 2 ． 2阀芯和 阀座 锥 角差 的确 定 如图 8所示 ，设 阀芯锥 角为 2 o r ，阀座锥角为 ，阀座小 口接触点直径为 d 。 阀芯正向密封时静力平衡方程为 簪 一 F 0 阀芯反向密封时静力平衡方程为 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 王国法等液压支架双伸缩抗冲击立柱动态分析 2 0 1 0年第2期 a 阀芯锥角小于阀座锥角 b 阀芯锥角大于阀座锥角 图8 阀座 、阀芯锥角关 系 1 F江 一 F A P2 0 其 中，P 为正向密封压力 ；F 为 阀芯与阀座接触 力在轴 向的分力 ；F为阀芯复位力 ；A 为阀芯右部 密封面积 ，因密封锥面 的存 在 ，左 右密封直 径不 同，可近似认为相同 ，均为 d ，A， ；P 2 为 中 缸 内的液体压力 。 为 了计算因锥角差变化而引起的密封性能和接 触应力变化 ，假设 阀座与 阀芯接触应 力为线 性分 布 ，且分布角与阀芯和阀座角度差 一口 相同。 1 当 口时，在正 向密封或反 向密封 时 ， 阀芯与阀座的接触力均为锥面的小端大 ，如图 8中 a 所 示 。 正向密封可得最大法 向接触应力计算式为 “ r r a q n M a x s i n c [ 3 d 一4 c s i n e 1 ]6 F q M a x t a n 一 a E 其中，o为阀芯 阀座沿 O t 方 向的接触长度 ；E 为阀座的弹性模数 ；d d 2 a s i n a 。 反向密封如图 8中 b 所示 ，可得最大法 向 接触应力计算式为 w a s i n a [ 6 d l q 6 a s i n a q M a x 一 3 d l E a t a n 卢 ～ 一 4 s i n a t a n 一 O t E a ] 6 F 长度 。 由以上计算式可看出，在相同的恢复力时，不 同情况下的最大密封力不 同，如 O t 时的正 向密 封最大密封力 大于 O l 时 的正 向密封 最大 密封 力 ，对正向密封有利 ；反向密封时，前者在反向压 力较高时易使 阀座材料屈服 ，应特别注意。 5立柱 “ 爬行” 问题分析 在 以不变的压力和流量供液时 ，立柱在伸缩过 程中出现时快时慢运动 ，当流量较小和压力较低时 出现断续运动 ，这种现象称为立柱 “ 爬行” 。一般 情况下 “ 爬行”对 支架无大 的影 响，但产生一定 动载荷 ，反过来影响液压系统的压力平稳性 ，特别 对于双伸缩立柱 ，会引起 t 1 ， 缶 I i 卞 活柱的运动顺序短 时改变 ，所以应 当避免和消除 “ 爬行”现象。 5 ． 1 “ 爬行” 现象产生的原因 一 般来说 ，“ 爬行 ”是 由于驱动力和阻力出现 瞬时不相等和底阀断续开启关闭 ，在驱动力大于阻 力的瞬时产生加速运动 ，在驱动力小于阻力的瞬时 产生减速运动 ，中间是过渡状态 。造成驱动力和阻 力 出现瞬时不相等的具体原因，首先是缸筒与活塞 及活塞杆和导向套 间的密封导 向环之间的静摩擦系 数不相等，且在整个运动行程 中摩擦状态和受力情 况变化存在差别 ；其次是供液系统供液压力和流量 波动及外载变化 ，造成底阀的频繁开启关闭。值得 注意的是 ，当在液压系统 中存在空气时，在外力变 化 时由空气 压缩 引起 的 “ 爬 行 ”现 象更 为 明显。 对 于双伸缩 立柱来说 ，内外缸 之 间的阻力 差别更 大 ，特别是不 同的行程位置差别更大。 5 ． 2避免 “ 爬行”应采取 的措施 为了避免 立柱 “ 爬 行” 现象 ，应采取 如下措 其中 ， 川 A为 阀座沿 施 ． 1 避 免 在液压 系 统 中混 入空 气 ，若 混入 ， 方向的长度。 2 当 |BO t 时 ，正向密封可得最大法 向接触 应力计算式为 1 T 0 g n M a x s i n a [ 3 d 。 一 4 a s i n t ] 6 F q M a x t a n 一 a E 其中，以为 阀芯阀座沿 O Z 方向的接触长度 ；E为 阀 座的弹性模数 ；d 。 d 一 2 a s i n a 反向密 封可 得最 大法 向接触 应 力计 算 式 为 r a s i n a [ 6 d 1 q M 6 a s i n c t q M 3 d 1 E a t a n O t 一 E a ] 6 F 式中，F F A ， p 一 ；A为阀座沿 7 i r 可空载运动几次 ，排除系统中的空气。 2 采用摩擦 系数 小 的密封 圈。现在使 用 的 聚氨酯密封 圈 ，其摩 擦系数 与橡胶密封 圈 比小得 多 ，采用更好 的材料摩擦系数会更小 ，可有效降低 “ 爬行”现象发生的概率。 3 提高油缸精度 ，减少 产生活塞运 行阻力 变化的因素。 4 合理调定底 阀开启压 力 ，采 用较低开启 压力 ，减小弹簧刚度影响。 5 采用大流量 泵站供液 系统 ，保 持系统压 力稳定。 下转4 0页 6 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第9 3期 煤矿 开 采 2 0 1 0年第2期 4 输电塔地基反力数值模拟分析 将上节中引用的工程实例再利用数值模拟方法 进行分析 。 应用 F L A C 。 。 建立三维数 值模 型，模 型尺寸即 选用 3节中所用尺寸 ，以便二者对 比分析。整体模 型如图 4所示 。 图4 F L A C 三维数值模 型 独立基础输电塔的模拟输电塔按倾斜极限值 0 ． 5 ％建立 ，顶部施加一定 的竖直荷载 和倾斜方向 的水平荷载后进行计算 。计算得到输电塔 4个塔脚 底面压力分布云图 ，如图 5所示。图中可看出基础 底面最大压力为 1 3 ． 3 k P a ，位于 4个塔脚 中倾斜下 沉一侧 右踏脚外边缘 ；无论是每个塔脚还是 整体来看 ，从左至右都呈现明显的递增趋势。 图 5 独立基础底 面压 力分布 大板基础输电塔的模拟通过不断改变倾斜值 分布进行计算 ，最终在倾斜值为 3 ％时基础底面最 大压力达到 1 3 ． 2 k P a ，此时基础底 面压力分布情况 见图 6所示 。由于 4个塔脚下面大板的作用 ，地基 反力分布于大板的整个区域 ；同样 ，地基反力也是 从左至右呈现明显的递增趋势 。 5 结束语 以上理论计算结果和数值模拟结果基本是一致 40 图6 大板基础底 面压力分布 的。这说明以输电塔基础底面压力作为判别依据， 通过理论计算得到的计算大板基础输电塔可承受地 基倾斜极限值 的计算式 ． A1 B H i ． ， 4 6 。8 6 b 2 ／ 1 2 Z 2 了面一 该公式是可以为实际工程问题提供理论计算依 据的。在采空区地表输电塔设计与防护等问题中， 可以依此式得到允许的地表倾斜值，从而以此为依 据采取防护措施 ，保证输电安全 。 [ 参考文献] [ 1 ]煤炭科学研究院北京开采研究所 ．煤矿地表移动与覆岩破坏 规律及其应用 [ M]．北京 煤炭工业 出版社 ，1 9 8 1 ． [ 2 J刘树 堂 ．输 电杆塔结构及其 基础设计 [ M]．北京 中国水 利 水电出版社 ，2 0 0 5 ． [ 3 ]马 宁 ．土力 学 与 地 基 基 础 [ M]．北 京 科 学 出 版社 ， 2 0 08 ． [ 4 ]秦庆芝，曹玉杰，毛彤宇，等 ． 特高压输电线路煤矿采动影 响区铁塔基础设计研 究 [ J ]．电力建设 ，2 0 0 9 2 1 8 2 1 ． [ 5 ] 中华人 民共 和国建 设部 ．建筑 地基基 础设 计规范 [ S ]．北 京 中国建筑工业 出版社 ，2 0 0 2 ． [ 责任编辑 徐乃忠 ] 上接 6 5页 [ 参考文献] [ 1 ]E N 1 8 0 4 2 ．Ma c h i n e s f o r u n d e r g r o u n d m i n e s ．S a f e t y r e q u i r e me n t s f o r h y d r a u l i c p o we r e d r o o f s u p p o r t s P a r t 2P o we r s e t l e g s a n d r a n i s f S ]． G e r ma n y ，2 0 0 0 ． [ 2 ] 王国法．高效综合机械化采煤成套装备 [ M]． 徐州中国矿 业大学 出版社 ，2 0 0 8 ． 【 3 ]赵志礼 ．立柱和千斤顶 冲击载荷的估算 【 J ]．矿 山机械， 2 0 0 9 ，3 7 2 3 73 9 ． [ 4 ]赵志礼 ．双伸缩立柱底 阀开启压力计算 [ J ]．煤矿开采， 2 0 0 8 ，1 3 3 6 9 7 O ． [ 责任编辑张银亮] 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m